Физики открыли в полупроводниках новые квазичастицы и назвали их коллексонами

Немецкие физики обнаружили с помощью фотолюминесцентной спектроскопии новый тип квазичастиц, которые возникают в полупроводниках с повышенной степенью вырождения электронного газа. Эти частицы представляют собой систему электрон-дырка, связанную рассеянием на электронах основного состояния, и называются коллексонами. Статья опубликована в Communications Physics.

В одном кубическом сантиметре металла содержится порядка 10²³ электронов, которые взаимодействуют друг с другом и с атомами кристаллической решетки. Описать движение электронов в такой системе очень сложно — конечно, можно выписать известные законы движения для каждой из частиц (уравнение Шрёдингера), а потом решить получившуюся огромную систему уравнений, однако на практике с этим не справится даже самый мощный суперкомпьютер. Вместо этого физики поступают гораздо проще. Несмотря на то, что движение частиц выглядит очень сложным, в действительности большинство из них ведут себя практически одинаково — например, при нулевой температуре газ бозонов «сваливается» в самое низкое энергетическое состояние. При повышении температуры некоторые бозоны начинают время от времени «выскакивать» из этого состояния, и на фоне в целом спокойной системы бегут волны возбуждений. Оказывается, что такие возбуждения ведут себя в точности как обычные частицы — они описываются теми же эффективными уравнениями, хотя могут иметь другую массу, заряд и энергетический спектр. Впервые концепцию квазичастиц придумал в начале 50-х годов советский физик-теоретик Лев Ландау, и с тех пор ученые активно используют этот подход. Более подробно про них можно прочитать в материале «Квантовая азбука: „Зоопарк квазичастиц“», в котором физик Алексей Кавокин рассказывает про квазичастицы на примерах с котами.

В частности, перенос электрического заряда в металлах описывается с помощью квазичастиц-электронов и квазичастиц-дырок, которые возникают на фоне газа обычных электронов-частиц (моря Ферми). Когда в какой-то области металла электрон «перескакивает» на более высокий энергетический уровень, в нем возникает возбуждение — электрон-квазичастица, который свободно перемещается по металлу, — а оставшееся после него «пустое» место приобретает положительный заряд и массу и называется дыркой. При определенных условиях электроны и дырки могут образовать связанную систему, которая напоминает атом водорода и называется экситоном. Поскольку экситоны являются бозонами, они могут образовать бозе-конденсат и перейти в сверхтекучее состояние даже при достаточно высокой температуре порядка 200 кельвинов. Тем не менее, в полупроводниках такие квазичастицы быстро распадаются из-за высокой степени вырождения электронного газа, которая приводит к экранированию зарядов и уменьшению энергии связи экситонов.

Группа ученых под руководством Фридхельма Бехштедта (Friedhelm Bechstedt) обнаружила, что при еще большей степени вырождения электронного газа в полупроводниках возникают другие квазичастицы, которые напоминают по своей экситоны и подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна. Физики назвали эту частицу коллексоном (collexon). В основе коллексона также лежит система электрон-дырка, однако важную роль при образовании квазичастицы играют электроны моря Ферми, которые рассеиваются на ней и стабилизируют систему, которая в обычных условиях моментально бы распалась. Можно сказать, что коллексон — это что-то среднее между экситоном и поляроном, окруженным облаком фононов (упругих деформаций кристаллической решетки). Впрочем, коллексоны защищены от взаимодействия с фононами благодаря сильному экранированию зарядов.

Чтобы обнаружить коллексоны, исследователи провели следующий эксперимент. На первом шаге они взяли тонкую пленку нитрида галлия GaN — полупроводника n-типа — и заместили в ней часть атомов галлия германием, чтобы повысить в ней концентрацию свободных электронов. Затем физики измерили спектр фотолюминесценции полученного образца, то есть направляли на нее фотоны с энергией от 3,2 до 3,6 электронвольт и следили за интенсивностью излучения, возникающего после поглощения и переизлучения фотонов. Оказалось, что в спектре возникает два острых пика, отвечающих энергиям примерно 3,492 и 3,505 электронвольт. Это указывает на то, что при поглощении фотонов в полупроводнике возникают квазичастицы с соответствующими энергиями связи, которые впоследствии распадаются. Первому пику, выраженному более ярко и возникающему на энергии около 3,492 электронвольт, отвечают коллексоны — системы электрон-дырка, связанные рассеянием электронов моря Ферми. Второй пик предположительно связан с биколлексонами, которые связывают уже четыре частицы и образуются по той же схеме.

Авторы статьи отмечают, что обычные экситоны в допированной пленке нитрида галлия возникать не могут, поскольку энергия связи пары электрон-дырка в ней слишком мала. Таким образом, введение новой квазичастицы позволяет объяснить наблюдаемые пики наиболее естественным способом. Впрочем, пока ученые не смогли предложить подробную теоретическую модель, которая объясняет образование коллексонов, и ограничились качественными соображениями.

В настоящее время физикам известно несколько десятков квазичастиц, и исследователи постоянно расширяют их список. Тем не менее, обычно новую квазичастицу открывают теоретически, и только потом подтверждают ее существование в прямых экспериментах. Например, так происходило с магнонами и ридберговскими поляронами, антискирмионами и тополяритонами. Работа немецких ученых необычна тем, что им удалось обнаружить новую квазичастицу экспериментально, не делая предварительного теоретического обоснования.

Дмитрий Трунин